燃煤烟气污染物超低排放技术综述及排放效益分析.doc

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1、燃煤烟气污染物超低排放技术综述及排放效益分析针对燃煤电厂烟气中烟尘、SO2和NOx的超低排放要求，对现有常用除尘、脱硫、脱硝技术的原理、改造方法，以及改造后投运实例进行了综合探讨，分析了燃煤电厂烟气污染物超低排放改造后的经济效益及环境效益，以期提供参考。 关键词：燃煤烟气；超低排放；经济效益；环境效益1引言 2016年入冬以来，全国各地雾霾天气持续不断，已经严重影响人们的日常生活和身心健康。我国的能源消费结构以煤炭为主，这是造成我国环境空气污染和各类人群呼吸系统疾病频发的重要根源，无论是能源政策还是经济社会发展要求，其共同目的都是通过控制煤炭消费强度来减少大气污染物排放，改善区域环境质量。 煤

2、电超低排放改造是现阶段发电用煤清洁利用的根本途径，超低排放技术可以进一步减少烟气污染物的排放总量，这是当前复杂形势下解决能源、环境与经济三者需求的最佳手段，也是破解一次能源结构性矛盾的必由之路1。国务院有关部门要求燃煤机组在2020年前完成超低排放改造。实行对燃煤电厂的超低排放技术改造刻不容缓，由此对超低排放技术改造的技术路线并结合改造案例进行综合介绍。2超低排放的概念 超低排放2是指燃煤火力发电机组烟气污染物排放浓度应当达到或者低于规定限值，即在基准氧含量为6%时，烟（粉）尘5mg/m3，二氧化硫35mg/m3，氮氧化物50mg/m3。3超低排放改造的技术路线 我国目前大量工业用电、居民用电

3、，基本都靠燃煤电厂供给，因此选择合理的改造技术显得尤其重要。对现有净化设备利用率高，改造工程量少的技术成为电厂的首选。以下针对燃煤电厂常用的几种除尘、脱硝、脱硫设备的改造方式进行综合介绍。3.1除尘技术 目前燃煤电厂采取的除尘超低排放技术有：电除尘、电袋复合除尘、低低温电除尘、湿式电除尘以及最新的团聚除尘技术等。3.1.1电除尘技术 电除尘器3的工作原理是通过高压静电场的作用，对进入电除尘器主体结构前的烟道内烟气进行电离，使两极板（阴极和阳极）间产生大量的自由电子和正负离子，致使通过电场的烟（粉）尘颗粒与电离粒子结合形成荷电粒子，随后荷电粒子在电场力的作用下分别向异极电极板移动，荷电粒子沉积于

4、极板表面，从而使得烟气中的尘粒与气体分离，达到净化烟气的目的。 电除尘器运行过程中需要定时启动振打装置，使沉积于极板表面的烟尘在自重和振动的双重作用下跌落于电除尘器下方的灰斗中，并应及时清空灰斗，确保电除尘器的除尘效果。 结合已有的电除尘器超低排放改造经驗可知，电除尘器升级改造一般遵循的原则4如下：完善气体调质系统设备，使烟气中粉尘比电阻适应高压静电场荷电要求；增加电场数量和除尘面积，更换极板极线，确保清灰振打装置有效运行，降低超标排放几率；加装出口槽形板等装置减少二次扬尘；增加电流增强器，或者将普通工频电源更换为电晕效率高、与电除尘器本体匹配度更高的高频电源、脉冲电源，可拓宽对粉尘比电阻的适

5、应范围，提高除尘效率。 其中第项是升级改造的重点，我国目前大量应用的是工频高压电源，其与电除尘器本体的匹配度低，电晕效率较低，而新型电源的使用可以有效提升除尘效率，但是因其价格偏高是普通工频电源的几倍到十几倍，造成实际工程应用中改造成本偏高。 良村热电对#1炉燃煤机组电除尘器进行提效升级改造，将电除尘器本体的极线、工频电源进行更换，并对相应控制系统进行优化。改造后电除尘器的除尘效率达到99.93%以上，烟气经过电除尘器后浓度排放值为7.7mg/Nm3，再经过后续脱硫系统的协同除尘效应，其烟尘出口浓度排放值5mg/Nm3，达到燃煤火电厂发电机组超低排放的规定限值以下5。3.1.2电袋复合除尘技术

6、 电袋复合除尘器是将静电除尘和过滤除尘机理有机结合的复合除尘技术6。它的特点是利用前级高压静电场将烟气中的尘粒通过荷电粒子（尘粒与电离粒子结合而荷电）的方式去除，去除烟气中的大部分尘粒；从而使进入滤袋区的烟气含尘浓度低，即可避免粗颗粒对滤袋的冲刷造成磨损，又降低了滤袋负荷，延长了滤袋的使用寿命，并可确保去除效率。 我国燃煤电厂除尘多采用电除尘器，采用电袋复合技术对电除尘器提效升级改造已成为多数电厂的选择方向。此种改造方式具有以下优点6：适用范围广；适用于已经投入运营，但是达不到超低排放要求的电除尘器。施工工程少、费用低；可以对原有电除尘器的基础和结构进行最大程度的利用，仅在除尘器进出口范围施工

7、，节省改造成本。改造完成后，系统可长期高效稳定运行；不受煤种变化影响，系统运行阻力小，滤袋使用寿命长，污染物排放浓度低。 沙角某电厂600MW燃煤机组配套电除尘器，采用超净电袋复合除尘技术进行改造，实现了5mg/m3以下的超低排放要求7。3.1.3低低温电除尘技术 低低温电除尘技术原理8是通过低温省煤器或热媒体气气换热装置（MGGH）降低电除尘器入口烟气温度，使进入电除尘器的烟气温度保持在酸露点温度以下（90左右）。此时烟气中的大部分SO3在低温省煤器或MGGH中冷凝形成硫酸雾，粘附在粉尘上并被碱性物质中和，从而降低了粉尘的比电阻。该技术可提高除尘效率，同时去除烟气中大部分的SO3，减轻了对烟

8、道的腐蚀作用。 低低温电除尘技术具有烟气适应性强、节能降耗和不产生固体废弃物等优点9，但是存在除尘设施酸腐蚀的问题。根据日本三菱重工的研究结果，当灰硫比大于10时，细颗粒物有足够的表面积作为SO3非均相凝结的凝结核，酸腐蚀速率几乎为零10。该技术除尘器入口烟气灰硫比一般都大于100，基本不存在酸腐蚀。 燃煤电厂低低温电除尘系统典型布置方式主要有两种（图1、图2）8。图1在电除尘器前布置低温省煤器，具有节能的效果，是我国主要采用的工艺路线；图2是在电除尘器前布置MGGH，它的作用是利用原烟气将脱硫后的净烟气进行加热，使排烟温度达到露点之上，减轻对烟道和烟囱的腐蚀，提高污染物的扩散度，减弱视觉污染

9、；同时降低进入除尘器的烟气温度，降低对除尘器防腐的工艺技术要求。胡斌等11对低低温电除尘技术的细颗粒与SO3的脱除机理进行实验研究。结果显示低低温电除尘中存在颗粒凝结长大现象，出口颗粒物粒度高于普通电除尘，适当降低入口烟温，有利于增强低低温电除尘对细颗粒与SO3的脱除，细颗粒物的脱除效率可达90%，SO3脱除效率为80%。3.1.4湿式电除尘技术 湿式电除尘器的工作原理12是在湿式电除尘器中，用水雾将粉尘凝结，在电场中与电离离子结合形成荷电离子，被捕集到极板上，收集到极板上的水雾在极板表面形成一层水膜，该水膜可清除极板表面积灰，保持极板洁净。 该技术存在以下的优点：采用水流冲洗，不用设振打装置

10、，不产生二次扬尘。烟气温度降低、含湿量增高，粉尘比电阻下降，提高了除尘效率。拓宽捕集范围；可有效收集微细颗粒物（PM2.5粉尘、SO3酸雾、气溶胶）、重金属（Hg、As、Se、Pb、Cr）、有机污染物（多环芳烃、二噁英）等。 因此湿式电除尘器可作为燃煤电厂污染物综合治理的终端设备12。 某300MW燃煤机组采用湿式电除尘器进行烟气深度净化。监测结果显示13：经过湿式电除尘器后，烟尘排放浓度由16.1mg/m3降低至1.8mg/m3，脱除效率达到88%以上，充分满足超低排放的要求，其中PM2.5的脱除效率稳定在75%以上。3.1.5团聚技术 团聚技术的工作原理14是利用化学团聚剂将烟气中的细颗粒

11、物团聚成链状和絮状，附着于大颗粒物上，烟气经过除尘器时大颗粒物被捕集，从而达到降尘的目的，该技术可大幅提高细颗粒物的脱除效率。 国电丰城发电有限公司一期4号34万kW机组完成超低排放技术改造并顺利通过168h试运行。经检测：颗粒物排放均值为1.7mg/Nm3，与传统除尘技术相比，团聚技术除了有技术优势外，还具有成本优势。该技术不新增大型设备，不改变原有烟道布置，改造费用约为800万元左右，仅为湿式电除尘的1/315。PM2.5团聚除尘技术为燃煤锅炉、窑炉实现烟尘超净排放提供了切实可行、经济有效的技术解决方案，可广泛应用于火电、钢铁冶炼及水泥建材等行业，为治理雾霾作出应有贡献16。3.2脱硝技术

12、 实现NOx的超低排放技术主要有：低低氮燃烧器改造、SCR脱硝装置催化剂加层及SNCR-SCR联合脱硝技术2。吴智鹏17提出两条路径对脱硝机组进行深度优化，一是提高脱硝系统投运率；二是增强脱硝侧氮氧化物控制效果。主要从以下两方面进行改造。3.2.1确保低温运行时，催化剂的活性和催化效率 烟气温度影响催化剂的活性，NOx的脱除效率与催化剂活性直接相关。催化剂理论应用范围为280400。当烟气温度较低时，催化剂的活性就会降低，进而NOx的去除率降低，NH3逃逸率增大。此时SO2易被氧化成SO3，从而与还原剂氨（NH3）及烟气中的水分反应生成硫酸氢铵（NH4HSO4），NH4HSO4粘性较高容易堵塞

13、空预器影响机组正常运行，甚至造成安全事故。因此改造完成后应通过系统优化曲线，在确保催化剂活性和控制NH4HSO4生成的前提下，通过SO2质量浓度及入口NOx浓度来确定SCR最低运行温度。3.2.2对脱硝系统自动控制系统进行优化 控制系统应根据机组工况、入口NOx浓度变化等因素适时分析，预测出后续NOx变化趋势，根据分析结果提前控制所喷入的NH3量。采用趋势预测可以提前响应入口NOx的变化，及时喷入氨气有效控制NOx的排放。再通过回路优化引入智能预测算法，确保全工况控制过程NOx排放浓度低于50mg/Nm3。 广东珠海金湾发电有限公司对燃煤机组进行超低排放技术改造后，结合脱硝系统保护逻辑的优化，

14、及变工况时最低运行温度的应用实现了锅炉稳燃负荷以上全工况脱硝投运，排放的氮氧化物浓度50mg/Nm3。3.3脱硫技术 燃煤电厂采用的脱硫技术主要有湿法脱硫和干法脱硫，以及半干法脱硫。高效稳定运行的脱硫系统在脱硫的同时也能够发挥协同除尘作用，对粉尘的脱除效率可达30%60%18。3.3.1湿法脱硫技术 目前世界范围内应用最广的脱硫工艺是湿法脱硫技术。因其工艺路线成熟、运行成本低、脱硫效率高成为众多燃煤电厂的首选。为了满足超低排放标准SO2排放浓度小于35mg/m3的要求，改造過程需要从影响脱硫效率的各个因素着手，主要有石灰石品质、液气比、钙硫比、浆液pH值、氧硫比、气液分布和传质情况等因素12。

15、进一步提高湿法脱硫装置的效率成为湿法脱硫技术的改造方向。3.3.2干法脱硫技术 干法脱硫技术的核心是循环流化床技术，工作原理是利用反应塔入口的文丘里装置加速烟气，使塔内的脱硫剂从颗粒状变成流化状态，与烟气中的SO2充分接触。在喷入雾化水的情况下脱硫剂与SO2产生反应，生成硫酸钙（CaSO4）或亚硫酸钙（CaSO3），从而实现脱除SO2等污染物。干法脱硫技术要求脱硫塔内有稳定的烟气流量，确保循环流化床良好运行，保证脱硫系统高效的运行19。 超低排放改造时需对反应塔内气、固、液三相反应机制和环境进行优化。根据不同工况调整吸收塔的床层压降，控制烟气回用量和喷入的水量20，滤袋更换为超细材质滤袋，可实

16、现SO2超净排放。并且这种改造方案是在原有系统上改造，改造工程量小，投资少，同时烟囱不需防腐处理21。3.3.3半干法脱硫技术 目前半干法烟气脱硫的超低排放技术只适用于低硫燃煤锅炉和高钙灰锅炉。 半干法脱硫技术是以循环流化床原理为基础，通过实现脱硫剂的多次循环，增加脱硫剂与烟气接触时间，保证脱硫剂的有效使用，从而提高脱硫效率。在反应过程中，脱硫剂会同时除去烟气中的CO2和HF等酸性气体，其中SO3和HCl的的脱除率达95%，远大于湿法脱硫工艺中的SO3和HCl脱除率22。 在循环流化床脱硫工艺运行过程中，可以通过调节脱硫塔内的固气比，控制送回反应的再循环干灰量来实现流化床的正常运行；通过控制脱

17、硫塔出口处的烟气温度，确保反应塔内的温度处于最佳的反应温度范围内；床层压力可以保证塔内的烟气流动速度，防止塌床现象的发生。可以通过调节循环烟气量来管制脱硫塔内的床层压力，保证脱硫工艺正常运行23。4超低排放改造的效益分析4.1对汞的脱除协同效益分析 对燃煤电厂烟气处理设施进行超低排放改造后，烟尘、SO2、NOX等污染物均可实现达标排放，同时有利于汞的去除。相关监测数据显示24，经超低排放改造后的某燃煤机组汞排放浓度保持在0.65g/m34.60g/m3，河北部分燃煤电厂烟气中汞排放浓度在3.717.32g/m3，基本都低于0.03mg/m3的排放标准。4.2经济效益分析 浙江省某燃煤电厂超低排

18、放改造后单位治污成本增加，导致发电成本有所增加，达到0.48元/（kWh）。该省天然气发电成本为0.904元/（kWh）、风电发电成本为0.8元/（kWh）、太阳能发电成本为1元/（kWh）。通过综合对比分析可知，在环境治理和用电需求的矛盾中，燃煤机组烟气净化设施升级改造仍然是“性价比”最高的选择25。4.3环境效益分析 燃煤电厂超低排放改造，可以有效减少PM2.5排放。山西省煤电行业的大气污染物排放占到全省排放总量的将近50%，利用Calpuff模型对现役机组执行超低排放空气质量改善效益进行模拟。结果显示在原标准下现役燃煤发电机组对11个设区市市区的空气质量浓度贡献较大，现役燃煤发电机组执行超低排放后，11个设区市市区现役燃煤发电机组的空气质量浓度贡献值有明显的下降27。因此实行超低排放对改善环境空气质量十分有效。5结语 燃煤电站是可吸入颗粒物的重要来源，高浓度的细颗粒物，对人体健康和大气环境的危害显而易见。通过燃煤电站超低排放技术改造可显著降低大气污染物排放水平28。燃煤电厂进行超低排放改造前，应根据现有设备、工艺、场地等条件拟定合理的改造方案，经过充分论证确定最优技术路线。超低改造过程中，需要对基础设施建设、设备安装、运行和维护等各个环节严格把关，确保环保设施长期高效稳定运行，以满足污染物超低排放的要求。7